影响电缆交联聚乙烯绝缘热延伸性能因素分析

影响电缆交联聚乙烯绝缘热延伸性能因素分析

作者：杨曦 于文川 马少华

来源：《中国新技术新产品》2017年第21期

摘 要：本文主要对影响电缆用交联聚乙烯绝缘热延伸性能的因素进行了分析总结，主要从交联聚乙烯绝缘电缆的生产过程及热延伸试验过程两个方面入手，具体阐述了电缆原料、不同交联方式的选择、生产工艺及具体试验操作过程中可能对热延伸试验结果产生的影响。针对这些原因，生产企业和检测机构应分别提高自身专业水平以保障热延伸项目合格率的提升。 关键词：交联聚乙烯绝缘；热延伸；交联度；影响因素 中图分类号：TM247 文献标识码：A 0.引言

1952年，美国科学家查尔斯（Charlesby）在一次原子核反应堆试验中无意间发明了交联聚乙烯（XLPE）。自问世以来，与传统聚乙烯（PE）相比，XLPE因其优异的力学性能、电性能、耐环境应力开裂性能、耐化学腐蚀性、耐蠕变性等受到了广泛关注，应用在建筑、化工、食品及电线电缆等各行各业。

在电线电缆行业中，交联聚乙烯（XLPE）同聚氯乙烯（PVC）和聚乙烯（PE）一样，均是常用的塑料绝缘材料，其中XLPE兼具性能优异和环保双重优势，成为电缆塑料绝缘材料中的佼佼者，因此XLPE电缆是我国电缆行业的主流发展趋势。

交联度在很大程度上决定着交联材料的使用性能及使用寿命，对于XLPE也不例外。因此，热延伸试验作为衡量交联度的重要技术参数之一，在生产过程及成品质量检验中是必不可少的。

1.影响热延伸的因素

通常，热延伸项目不合格分为两种情况：（1） 试样受热 180 s内失效。试样在低于200 oC时就呈现出熔融状态，在内较短时间（ 一般不超过180s） 就发生熔断，这种情况说明样品 XLPE 绝缘交联度很低，其分子结构更接近非交联的线性结构；（2）试样受热300s以后（部分甚至接近900s）失效。说明样品试样XLPE 绝缘具有一定的交联度，但仍未达到标准要求。故热延伸项目的不合格，本质上就是XLPE绝缘的交联度不够造成的。因此凡是能影响到XLPE绝缘交联度的因素，都是影响热延伸项目的因素。

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1.1 电缆料的影响

原材料对产品性能的影响是不言而喻的。以生产10kV及以下中低压电力电缆和电气装备用电缆的硅烷交联工艺为例。基础树脂结构差异、硅烷结构及用量、引发剂用量、色母粒配比等都对交联程度有一定程度上的影响。 1.2交联方式的影响

目前，常用于工业生产XLPE的方法主要有3种，即过氧化物交联（化学交联）、硅烷交联（温水交联）和辐照交联。不同的交联方式，交联反应的机理不同，生成的交联网状结构和交联度不同，因此不同交联方式的生产的XLPE绝缘料热延伸项目也会存在一定的差异。 通过大量对XLPE绝缘热延伸数值的统计分析，3种常用交联方式生产的XLPE热延伸值基本范围如下： （1）硅烷交联通常在40%～80%；（2）过氧化物交联，以常用的过氧化二异丙苯（DCP）交联剂为例，热延伸值通常在 60%～100%；（3）辐照交联通常在 80%～120%。综上所述，电子辐照交联的热延伸值最大，有机过氧化物化学交联居中，硅烷温水交联最小。

1.3 生产工艺的影响

由于3种交联方式生产工艺的不同，因此对交联度产生影响的生产环节和工艺参数也有所区别。

1.3.1过氧化物交联。过氧化物交联适于生产高电压等级电缆，交联过程如下：（1）在一定温度下，加入聚乙烯树脂中的过氧化物（通常为过氧化二异丙苯 （DCP））分解为自由基；（2）分解出的自由基进攻聚乙烯大分子链，产生大分子自由基，大分子自由基之间进一步反应则形成网状结构。结合整个生产工艺流程，交联程度会受挤出温度，过氧化物含量，交联温度和时间等因素的影响。此外，针对于高电压等级电缆，因热传导造成的不同层面交联温度的差异，处于绝缘层不同层面的交联聚乙烯其交联度也存在着明显的差异。因此，电缆进入交联管之前的导体预热过程（前置预热）及从交联管道出来后的后置加热过程对电缆不同绝缘层的交联度也有明显影响，需引起重视。

1.3.2 硅烷交联。硅烷交联聚乙烯由接枝和交联两个关键步骤组成。接枝过程是以过氧化物为引发剂，将硅烷接枝到聚乙烯分子上；然后在温水或水蒸气中借助接枝上的硅烷的水解缩合反应产生交联结构。在硅烷交联法中，影响交联度的因素主要有引发剂和硅烷的含量，挤塑机温度的设定、水温高低或蒸汽压力大小及交联时间长短等。

1.3.3 辐照交联。辐照交联即聚乙烯在高能射线作用下，生成自由基和氢原子。具有较大动能的氢原子进一步进攻其他聚乙烯分子链，形成二次自由基，当辐照形成的自由基与二次自

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由基相遇时，就发生了交联反应。由辐照交联的反应机理，我们不难看出在发生交联反应的同时，聚合物又不可避免地会发生裂解反应。因此 ，在实际生产过程中，必须兼顾交联和裂解这对矛盾，以提高生产效率，并保证绝缘的交联度。因此，辐照交联过程中，辐照强度的大小，敏化剂、增感剂的种类和含量等因素，都是影响绝缘交联质量的重要因素。 1.4试验操作过程的影响

对电缆原材料及电缆生产过程的把控是保证XLPE的交联度，提高热延伸项目合格率的根本方法。但在检验过程中，因操作方法及设备使用不当引起的检验结果异常，应当引起第三方检验机构检验人员的重视。这就需要从认真研读标准，严格按照标准操作入手。 1.4.1 样品的制备

严格按照GB/T 2951.21-2008或相关产品制备试样，并确保试样无损伤，无缺陷。 1.4.2 仪器设备的要求

热延伸试验通常有效加热时间为15min，可划分为两个阶段。（1）样品放入烘箱的0～5min内，烘箱温度开始回升，试样温度也随之上升。（2）在5～15min内，烘箱内温度回升至 200℃左右并形成稳定的温度场，同时试样温度也达到均匀分布状态，因此试样上没有附加热应力的产生，试样只承受初始荷载的作用力。

在0～5min过程中，如果打开烘箱，温度下降较多，温度回升至200℃时间较长，那么较长的预热时间会导致交联料的进一步交联，提高交联度，从而影响实验结果准确性。此外，在5～15min过程中，如果烘箱未能提供200 ℃的稳定温度环境，那么会导致试样温度分布不均匀，附加热应力的作用会使试样拉伸过长甚至伸长率超过标准规定值。

因此，在检验过程中，标准取样、标准制样，掌控好加热温度和时间是数据准确有效的重要保障。 结语

热延伸作为考量交联聚乙烯交联度的一个重要试验项目，其影响因素众多，本文从电缆原料、交联方式的选择，生产工艺、试验操作过程等方面对热延伸的影响分别进行了分析。作为第三方检测机构，在严格把控试验过程，保证试验结果可靠性的同时，也应结合电缆的生产过程，对实验结果进行分析，帮助生产企业提高生产质量，提高热延伸项目合格率。 参考文献

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